智能天气监测防护装置的设计与应用

2022-02-22束岩松蒋柳君高晨译廖雨婳唐豪

科技信息·学术版 2022年7期

关键词：传感器

束岩松蒋柳君高晨译廖雨婳唐豪

关键词：天气监测;防护窗;传感器;L298N电机驱动模块

中国分类号：TH122 文献标识码：A

0 引言

随着经济的发展和生活水平的提高，人们对居家生活的质量要求也在不断提升。然而在暴雨频发的南方和飓风猖獗的北方，频繁的开关窗也成了令许多人困扰的问题。

如今国内外现有的智能防护窗主要有以下几种形式：

（1）推拉式或提拉式。该类装置主要通过电机驱动防护窗在滑轨上移动进而达到自动开关窗户的目的。该装置视野开阔，采光效果好，但由于单次只有一面窗页可进行通风，故存在通风面积较小的缺点。

（2）平开式。该装置主要通过控制转轴转动的方式进而带动整块窗页开合。平开式的窗页可全部同时打开，具有通风面积大的优点。然而由于装置受转轴限制，窗幅较小，因此视野极不开阔。

（3）卷帘式或防护罩式。这两类装置采用收缩挡布或者拉动防护罩的方式在极端天气的情况下进行防护。这两类装置通风面积大，视野开阔。但因为其对声音和温度的阻隔能力极差，且防风防雨能力较弱，因此仍不被市场所接受。

为了更好的解决现有技术尚存的弊病，本文介绍了一种智能天气监测防护装置。该装置具有窗幅和通风面积大的优势，且拥有较好的隔音隔热能力。可以通过传感器实时监测户外的风速和降水，达到控制门窗自动开关的效果，以解决门窗关闭不及时的问题，避免企业和家庭受到经济上的损失和不必要的麻烦。

1工作原理

本装置由防护组件、雨滴检测器和风速检测器三部分组成。其中，防护组件主要包括护板块，滑轨，单片机，驱动电机和牵引绳等重要部件。装置主要以传感器为主要的信号采集手段，并将所采集的天气信号传输给单片机进行集中处理，最后由单片机控制驱动电机转动来实现装置的自动防护。

防护组件主要由方形外框，底座和防护板块组成。方形外框安装在装置的外侧，主要主要起固定支撑装置运行的作用。在方形外框的上下两端安有滑轨，用以防护窗的导向。在滑轨的前端和尾端位置分别安有两个光电传感器，用来监测防护窗的位置并以此控制电机的开停。在上下两滑轨间设有防护板块，可保护室内免受风雨侵扰。防护板块由若干矩形玻璃块通过弹簧合页连接而成，可以在装置收缩时提供一个扭矩，并帮助板块依次折叠收缩至底座末端位置。在首端的防护板块上连有两根牵引绳，其中一条悬置于板块中间，另一条被埋于底座滑轨内。而牵引绳的另一端分别与两台驱动电机相连，在设备运行时，可以通过电机牵引板块的伸展和收缩，进而达到装置智能防护的效果。

在在设备的底座内安有L298N电机驱动模块。该模块可对传感器接收的信号进行处理，进而控制电机的转动。L298N电机驱动模块可实现电机正反转及调速，启动性能好，启动转矩大，工作电压可达到36V，4A。模块可同时驱动两台直流电机，能够满足装置的运行需求。在底座尾部依次安有导向块，导向滑轮和限位块。导向块呈“八”字型结构，其中靠近滑轨一端的间距要小于另一端的间距。当进行关窗操作时，防护板块会沿导向块按特定轨迹进行收缩，避免窗页滑出框外。在导向滑轮的内部安有轴承，其外部套有塑胶皮套。当某片窗页的末端抵上导向滑轮时，会随导向滑轮滑至装置尾部并折叠收缩，避免防护板块与导向块产生摩擦，造成装置磨损。

在底座末端两侧平行安装有两个限位块，其间距与防护板块的宽度相适配，可以有效防止窗页被外力推至框外，致使装置损坏。此外，该装置还外接有手动摇头开关，并内置有蓝牙信号接收器，操作者可以根据自身需求选择不同的方式对设备进行控制。

3雨滴检测器

雨滴检测器由雨滴传感器，蓄水盒及排水阀组成。雨滴传感器位于蓄水盒底部，主要用于检测户外是否降雨，并由控制单元对所测信号进行变换，最终实现对环境的监测与防护。其工作电压为3.3V～5V;具有信号干净，波形好，驱动能力强的优点。

蓄水盒为方形空盒。当雨天盒内积水时，检测器会将降水信息反馈给L298N电机驱动模块进而启动装置。在蓄水盒底部安有排水阀，防护板块处于收缩状态时，蓄水盒关闭并进行蓄水。当突降骤雨，防护板展开防护时，蓄水盒将开阀排水，并等待骤雨停止后再次开窗并进行蓄水。

4风速检测器

风速检测器采用的是传统的三杯旋转架结构。其内置的风速传感器能将风速线性地变换成旋转架的转速。整个风速传感器对恶劣环境有良好的适应性，且具有体积小巧、响应速度快、数据传输效率高、性能可靠等优点，确保机械装置能准确接收风速信号并快速的进入相应工作状态。同时为了降低最小启动风速，装置采用了特殊材料的轻质风杯，使所测数据的精度得到提升。

此外，该装置还可以人为设定启动风速，以适应不同地区用户的需求。设备外接有LED风速显示屏，并能将所测的外界风速数据传入室内并进行显示，便于使用者实时了解外界天气信息。风速测量范围为0～30m/s。

5优势与应用

5.1创新优势

相较于同类型产品，本装置主要具有以下几种优势：

（1）本装置安装有智能排水阀，可以在开窗状态下蓄水并收集降雨信息，关窗状态下排水并等待下次开窗蓄水。能有效避免传感器存在积水导致误操作的现象发生，增强装置的可靠性。

（2）防护窗的限位开关均采用红外传感技术。当光电传感器感应到防护板块遮挡或撤离时，会发出信号控制电机停止运行。相较于传统的压力传感，光电传感可以有效避免对窗页的磨损。并且具有反应速度快、灵敏度高、干扰小的优点。

（3）该装置可以根据不同地域情况自定义启动风速;并将所测风速实时传输至室内LED显示屏上。在满足了不同用户实际需求的同时还可以让使用者在室内精准掌握屋外的环境信息，为用户的出行提供便利。

5.2实际应用

作为智能家居的一部分——智能天气监测防护装置，是在传统门窗的基础上，综合利用了传感器技术、单片机技术和自动控制技术，通过对于各类信号的采集与处理，最终实现对外界天气的监测和自动防护的装置。与现有的智能门窗相比，本装置具有通风面积大，视野开阔的优势;能较好的适用于各类需要良好通风环境或对采光有严格要求的场所，并能很好的保证室内外的隔音隔热效果，从而提高人们的居家舒适度。

安全舒适的居家环境是实现家居智能化的基础，而智能门窗作为智能家居的重要组成部分，对于家居智能化的发展也起到了关键性的作用。因此，对于智能门窗的推广是实现智能家居的第一步，也是非常重要的一步。

6缺陷与改进

经过物理实验发现，该装置尚存在以下几个问题有待改善：

（1）在狂风暴雨等极端天气下，防护板块的间隙可能出现漏风或渗水的问题。可以考虑在两防护板间安装透明密封胶条，提高装置的密封性，避免恶劣天气对居家生活造成影响。

（2）窗页直接与底座接触，长时间使用易造成底部磨损。因此在产品设计时可以在窗页底部安装多组万象滚珠，避免两者直接接触，并在加工时选择摩擦系数较小的材料制作底座，延长装置的使用寿命。

（3）装置开关窗过程时间较长。由于该装置运行方式为电机驱动，因此在牵引防护板进行收缩时需要一定时间。故在安装时可以选择采用同时安装多组防护装置的方式，也可以适当减少设备外框的长度，从而降低开关窗过程所需的时间。

（4）各防护板块间的连接部分容易遮挡视野，影响美观。所以在选择窗户类型时建议采用落地窗的形式。既扩大了视野，又可以确保拥有极大的窗幅和采光面积，从而保证整体观感更好。

7结论

针对飓风和暴雨对居家生活造成的影响，并结合目前市面上现有智能门窗所存在的问题，本文讨论了一种智能天气监测防护装置。该装置主要通过传感器收集天气信号，并反馈给L298N驱动模块以控制电机的通断，最终达到智能防护、保护室内的效果。该装置具有窗幅大，通风面积广，隔音隔热能力强的优点，能有效避免风沙暴雨的侵扰，保障室内人员的生命及财产安全;并且操作简单，安全可靠，为智能家居的发展提供了新的方向。然而该装置的密封性较差和工作效率低的问题仍有待解决。本文主要对智能天气监测防护装置的结构原理及应用领域进行了分析，并通过与同类产品进行对比得出了该装置的独有优势，同时也指出了目前尚存在的不足以及改进的方向，为之后其他的智能门窗设备的设计提供了有效参考。

参考文献：

[1] 濮良贵，纪名刚主编.机械设计[M].第八版.北京：高等教育出版社.2007.

[2] 孙恒，陈作模，葛文杰主编.机械原理[M].第七版.北京：高等教育出版社，2006.

[3] 吴宗泽主编.机械零件设计手册[M].北京：机械工业出版社，2006

[4] 李必文主编.机械精度设计与检测[M].长沙：中南大学出版社，2011.

[5] 倪樵主编.材料力学[M].武汉：华中科技大学出版社，2007.

[6] GB50009-2001《建筑结构载荷规范》.

[7] GB/T7106-2008《建筑外门窗气密、水密、抗风压性能分级及检测方法》.

作者简介：

束岩松（1999-），男，汉族，湖南株洲人，本科在读，研究方向：电气工程及其自动化

蒋柳君（1999-），女，汉族，湖南邵东人，本科在读，研究方向：机械设计制造及自动化

高晨譯（2000-），男，汉族，湖南邵阳人，本科在读，研究方向：电气工程及其自动化